受湿度调节的两端无铅钙钛矿人工光突触器件及制备方法

受湿度调节的两端无铅钙钛矿人工光突触器件及制备方法
1.技术领域
2.本发明涉及人工突触光电器件技术领域，尤其是一种自供电的受湿度调节的两端无铅钙钛矿人工光突触器件及制备方法。


背景技术：

3.由于存储和中央处理器的物理分离，传统的冯
·
诺依曼架构的计算机在物联网时代面临严峻的挑战。实现物理层面的类脑神经形态计算主要依赖于人工突触器件，突触是神经网络中神经元之间的连接。到目前为止，生物突触的各种突触行为已经实现，包括长期可塑性(ltp)、短期可塑性(stp)和成对脉冲促进(ppf)。虽然突触行为已被广泛模拟，但大多数神经形态装置依赖电刺激来控制电导。此外，人类的知觉刺激几乎完全来自于外部来源（视觉、触觉、嗅觉、听觉或痛觉感受器），单靠电刺激是无法模拟的。与电刺激的人工突触相比，光信号刺激具有高带宽、低功耗、低串扰等优点，在神经形视觉系统中更具有吸引力。
4.全无机无铅双钙钛矿，特别是cs2agbibr6，由于其具有环境稳定性、低毒性和溶液成膜方法简单等优点，已成为光电子器件中有机-无机杂化钙钛矿的最有潜力的替代品之一，其具有较好的机械灵活性，更利于应用于需要大面积、低成本或柔性电子器件领域。此外，铁电材料是一种具有自发极化特性的功能材料，其极化状态可以由外加电场连续可逆地调节，且具有非易失性。因此，铁电材料被认为是新一代存储器的候选材料之一，具有三端结构晶体管器件通常采用铁电材料作为栅极绝缘体来控制器件的电导变化。
5.湿度是自然界中最常见的条件，对人体舒适度有影响，这表明湿度可以作为外部刺激用于调节突触行为。大多数有机半导体如并五苯对湿度敏感，吸附的水分子会影响载流子的产生、分离和重组。因此，湿度作为附加刺激，可以用于结合光脉冲来调节装置的突触性能，这为多端控制突触可塑性并简化制备工艺提供了一个崭新思路。


技术实现要素：

6.本发明目的是提供一种自供电的受湿度调节的两端无铅钙钛矿人工光突触器件及制备方法，通过有机铁电聚合物薄膜和有机并五苯的引入，降低器件能耗和提高多波段的光响应能力。器件能够以光信号为刺激模拟生物突触的行为，对不同波长（λ=445 nm/660 nm）的光刺激具有双向响应。这一特性使器件能够通过光刺激同时模拟兴奋性和抑制性突触行为，如长时程增强（ltp）和长时程抑制（ltd），双脉冲易化（ppf）和抑制（ppd）等。除光刺激外，湿度作为附加刺激来调节器件在445 nm光照下的突触性能。通过调节湿度，成功在同一波长（445 nm）刺激下实现兴奋性和抑制性突触行为。器件且具有零功耗、响应快、保持时间长、制备方法简单，成本低、安全、环保等优点。可应用于人工智能硬件和人工神经网络硬件方面的应用。
7.实现本发明目的的具体技术方案是：
一种受湿度调节的两端无铅钙钛矿人工光突触器件，其特点是在下电极上分别旋涂一层无铅钙钛矿薄膜、有机铁电聚合物和热蒸发一层有机半导体薄膜作为功能层，然后在功能层上热蒸镀一层导体作为上电极，形成垂直层状结构自供电湿度调控的两端人工突触器件，应用于人工智能和人工神经网络的硬件上，所述下电极采用氧化铟锡导电玻璃；所述上电极为金、铝或铂制备的金属电极；所述无铅钙钛矿为铯银铋溴或铯银铋氯；所述有机铁电聚合物为聚偏二氟乙烯或聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物，所述有机半导体薄膜为并五苯。
8.一种受湿度调节的两端无铅钙钛矿人工光突触器件的制备方法，具体包括以下步骤：（一）衬底的清洗将衬底依次经过去离子水、丙酮、乙醇和异丙醇中超声清洗10~20分钟，用氮气将衬底表面吹干后置于干燥箱中待用。
9.（二）制备旋涂溶液将卤化铯（csx）、卤化银（agx）和卤化铋（bix3）按摩尔比为2∶1∶1称量后溶解于二甲基亚砜（dmso）中，在大气环境中将溶液加热到65~70℃温度下搅拌2~3小时，得到浓度为0.5摩尔每升的的无铅钙钛矿溶液a。
10.将有机铁电聚合物粉末溶解于碳酸二乙酯或丁酮中，在大气环境中将溶液加热到70~75℃温度下搅拌2~3小时，得到10mg~25mg/ml的无色澄清透明的有机铁电聚合物溶液b；所述碳酸二乙酯或丁酮浓度为99%。
11.（三）无铅钙钛矿薄膜、有机铁电聚合物薄膜和有机半导体薄膜的制备用移液枪取适量无铅钙钛矿溶液a，滴加在旋转的步骤（一）所清洗过的衬底上，旋转速度为500~3000 r/s，旋转时间为50~60s，将旋涂后的薄膜移入真空干燥箱抽真空5~10分钟，然后在280~285℃温度下退火5~10分钟，获得无铅钙钛矿薄膜；待已沉积无铅钙钛矿薄膜的薄板冷却至室温后，在旋转速度为500 ~4000 r/s的范围内，滴加有机铁电聚合物溶液b，在135~140℃温度下退火2~4小时，在无铅钙钛矿薄膜上制备有机铁电聚合物薄膜。最后在已退火结束的有机铁电聚合物薄膜/无机钙钛矿薄膜异质结上通过有机热蒸发蒸镀仪沉积一层有机薄膜，厚度约为50-120nm，沉积速率为1.0~2.5 埃每秒。
12.（四）制备人工突触器件将掩模版覆盖在有机薄膜表面，通过热蒸发技术，获得50~60纳米厚度的金属上电极，制得的器件为铁电调控的两端人工突触，所述热蒸发的真空度为2~6
×
10-4
帕，沉积速率为0.5~0.9埃每秒，蒸镀时间为25~30分钟。
13.所述有机铁电聚合物为聚偏二氟乙烯（pvdf）或聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物（p(vdf-trfe)）；所述无铅钙钛矿为铯银铋溴（cs2agbibr6）或铯银铋氯（cs2agbicl6）；所述有机薄膜为并五苯；所述衬底为下电极为氧化铟锡导电玻璃；所述上电极为金、铝、铂等金属；所述无铅钙钛矿薄膜的厚度为150~250纳米；有机铁电聚合物的厚度为60~300纳米；所述并五苯有机薄膜的厚度为50-120 nm。
14.本发明与现有技术相比具有以下有益的技术效果和显著进步：1）利用有机铁电聚合物薄膜的铁电极化内建电场来调节界面之间的势垒，控制光生电子和光生空穴的产生和复合，从而简化器件结构，降低器件能耗和提高光电流的保持
时间。
15.2）结合无铅双钙钛矿与有机薄膜的吸收特性，该器件对445和660 nm的光脉冲具有双向响应。在全光调控下成功模拟了ltp、ltd、ppf和ppd等突触功能。
16.3）此外，该器件的光电响应受湿度的影响。以湿度作为外部刺激，结合445 nm光脉冲来调节器件的突触性能。在湿度和光脉冲的协同调制下，兴奋性和抑制性突触可塑性在单一器件中实现。其制备方法操作步骤简单，原料易得，成本低，耗能少，效率高，易于实施；整个制备过程安全、环保。
附图说明
17.图1为实施例1制备的自供电人工光突触器件结构示意图；图2为实施例1制备的器件在445nm和660nm波长单个光脉冲刺激后的突触后电流的示意图；图3为本发明实施例1制备的器件分别在445 nm和660 nm波长刺激后模拟兴奋性和抑制性突触行为的示意图；图4为实施例1制备的器件结合湿度调节和445 nm光脉冲刺激下模拟兴奋性和抑制性突触行为的示意图。
具体实施方式
18.下面结合具体实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。实施本发明的过程、条件、试剂、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。以下通过实施例对本发明做进一步的阐述，其目的是为了更透彻理解本发明的内容，凡所举之例不视为对本发明保护范围的限制。
19.实施例1本实施例以并五苯为有机半导体层，聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物（p(vdf-trfe)）为有机铁电聚合物，以铯银铋溴（cs2agbibr6）为无铅钙钛矿，制备基于并五苯、无铅钙钛矿和有机铁电聚合物的自供电人工突触器件，具体步骤如下：1）将ito衬底依次经过去离子水、丙酮、乙醇和异丙醇中超声清洗20分钟，用氮气将衬底表面吹干后置于干燥箱中待用。
20.2）将溴化铯（csbr）、溴化银（agbr）和溴化铋（bibr3）按摩尔比为2：1：1称量后溶解于1毫升二甲基亚砜（dmso）中，在大气环境中将溶液加热到65℃温度下搅拌2小时，得到浓度为0.5摩尔每升的的澄清透明的黄色cs2agbibr6溶液。
21.3）将聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物粉末溶解于碳酸二乙酯中来配置旋涂溶液，得到质量分数为1.5 wt%的p(vdf-trfe)溶液。
22.4）用移液枪取50 μlcs2agbibr6溶液，滴加在旋转的ito衬底上，旋转速度为3000 r/s，旋转时间为60s；将旋涂后的薄膜移入真空干燥箱抽真空10分钟，然后在285℃温度下退火10分钟，获得cs2agbibr6薄膜。
23.5）待已沉积cs2agbibr6薄膜的薄板冷却至室温后，在4000 r/s旋转速度下，在已经制备好的cs2agbibr6薄膜上滴加70 μl p(vdf-trfe)溶液，在135℃下退火4小时，制得p(vdf-trfe)/cs2agbibr6异质结薄膜。
24.6）采取有机热蒸发技术在已退火完成的p(vdf-trfe)/cs2agbibr6异质结上利用有机热蒸发蒸镀仪沉积一层有机半导体层并五苯，厚度约为50-120 nm，沉积速率为1.0~2.5 埃每秒，制得并五苯/p(vdf-trfe)/cs2agbibr6异质结。
25.7）采用热蒸发技术在并五苯/p(vdf-trfe)/cs2agbibr6异质结表面蒸镀50nm厚的金属金作为上电极，制得自供电湿度调控的两端无铅钙钛矿人工突触器件。
26.参阅附图1，上述实施例制得的自供电湿度调控的两端无铅钙钛矿人工光突触器件为三明治垂直结构。
27.参阅附图2，对上述实施例制得的人工突触器件分别施加光照强度为0.024和480mw/cm2的蓝光（445 nm）和红光（660 nm），脉冲宽度固定为0.5秒的光脉冲进行生物突触的行为模拟。在445 nm的光脉冲照射下，光电流瞬间上升到~ 60皮安，然后逐渐下降至初始水平。而施加660 nm的光脉冲时，光电流在瞬间增加至最高点后逐渐降低。测得的突触后电流响应说明了该器件在不同波长的照射下呈现出双向响应，具有模拟生物突触中兴奋性和抑制性行为的能力。
28.参阅附图3，对上述实施例制得的人工突触器件施加10个不同波长的脉冲，其测试结果为：445 nm波长刺激下，器件电流随着施加脉冲数的增加而增加，表现出长时程增强行为（ltp）；660 nm波长刺激下，器件电流随着施加脉冲数的增加而降低，表现出长时程抑制行为（ltd）。
29.参阅附图4，对上述实施例制得的人工突触器件在不同湿度施加相同强度的光脉冲，得到不同湿度下电流响应曲线。器件可以结合外部湿度调节与445 nm光脉冲照射同时模拟ltp和ltd行为。
30.上述实施例制得的人工突触器件经上述性能测试，结果表明器件能够分别在双波长调控及湿度调控下模拟生物神经突触的功能，可应用于构建人工神经网络系统。
31.本发明的保护内容不局限于以上实施例，在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。